淺析渦街流量計測量蒸汽質(zhì)量流量優(yōu)勢點：

渦街流量計是體積流量計，即流體雷諾數(shù)在一定范圍內(nèi)，其輸出只與體積流量成正比。

渦街流量計的輸出有頻率信號和模擬信號兩種，模擬輸出是在頻率輸出的基礎(chǔ)上經(jīng)f/I轉(zhuǎn)換得到的。這一轉(zhuǎn)換大約要損失0.1％度。所以用來測量蒸汽流量時，用戶更愛選用頻率輸出。

頻率輸出渦街流量計更受熱力公司等用戶歡迎的另外幾個原因如下。

a. 頻率輸出渦街流量計價格略低（非智能型）。

b. 頻率輸出渦街流量計滿量程修改更方便，只需對可編程流量演算器面板上的按鍵按規(guī)定的方法進(jìn)行簡單的操作就可實現(xiàn)。

c. 由頻率輸出渦街流量計輸出的頻率信號計算蒸汽質(zhì)量流量，只需知道流體當(dāng)前工況，而模擬輸出渦街流量計的溫壓補償只是對當(dāng)前工況偏離設(shè)計工況而引起的誤差進(jìn)行補償，因此，不僅需知道當(dāng)前工況，還需知道設(shè)計工況。后一種工況數(shù)據(jù)常常因為時間推移或人事變遷導(dǎo)致資料遺失而引起誤差，相比之下，頻率輸出渦街流量計卻不會有此問題。詳見本書第8章8.6節(jié)分析。

頻率輸出渦街流量計測量質(zhì)量流量的表達(dá)式為

qm=3.6           (3.13)

式中 qm――質(zhì)量流量，kg/h；

f――渦街流量計輸出頻率，P/s；

Kt――工作狀態(tài)下的流量系數(shù)，P/L；

ρf――流體密度，kg/m3。

當(dāng)被測流體為過熱蒸汽時，可以

                ρf＝f(pf,tf)                            (3.14)

 查表求得工作狀態(tài)下的流體密度。測量系統(tǒng)見圖3.6。

圖3.6用渦街流量計測量過熱蒸汽質(zhì)量流量的系統(tǒng)

當(dāng)被測流體為飽和蒸汽時，可以

ρf=f(pf)                              (3.15)

或 ρf=f(tf)                                (3.16)

查表求得工作狀態(tài)下的流體密度，其原理同前節(jié)所述。其測量系統(tǒng)見圖3.7。

   圖3.7用渦街流量計測量飽和蒸汽質(zhì)量流量的系統(tǒng)

在式（3.13）中，ρf應(yīng)是渦街流量計出口的流體密度，因此，pf的測壓點應(yīng)取在渦街流量計出口的規(guī)定管段上。

有些研究表明，臨界飽和狀態(tài)蒸汽經(jīng)減壓后會發(fā)生相變，即從飽和狀態(tài)為過熱狀態(tài)，這是，將其仍作為飽和蒸汽從式（3.15）或式（3.16）的關(guān)系求取ρf，必將引入較大誤差[2]。如果出現(xiàn)這種情況，應(yīng)進(jìn)行溫度壓力補償。

3.1.4蒸汽密度求取方法比較

從上面的分析可知，工程上普遍使用的推導(dǎo)式蒸汽質(zhì)量流量測量系統(tǒng)，關(guān)鍵是求取蒸汽密度幾十年以來，人們?yōu)榇俗髁舜罅垦芯抗ぷ鳌w納起來主要是采用數(shù)學(xué)模擬法和查表法兩類方法。

⑴用數(shù)學(xué)模型求取蒸汽密度   在工程設(shè)計和計算中，工程師們經(jīng)常需要求取蒸汽密度數(shù)據(jù)，采用的傳統(tǒng)方法是由蒸汽的狀態(tài)數(shù)據(jù)查蒸汽密度表。但是未采用微處理器前，這種人工查表的方法還無法移植進(jìn)儀表，而仍采用數(shù)學(xué)模型的方法。人們建立了多種的數(shù)學(xué)模型以滿足不同的需要，下面例舉使用廣泛的幾種。

①     一次函數(shù)法。這種方法的顯著點是簡單，適用于飽和蒸汽，其表達(dá)式為

ρ＝Ap+B                             (3.17)

式中  ρ――蒸汽密度，kg/m3；

p――流體壓力，MPa；

A、  B――系數(shù)和常數(shù)。

式（3.17）不足之處是僅在較小的壓力范圍內(nèi)變化適用，壓力變化范圍較大時，由于誤差太大，就不適用了。因為對于飽和蒸汽來所，ρ＝f（p）是一條曲線，用一條直線擬合它，范圍越大，當(dāng)然誤差越大。

 解決這個矛盾的方法是分段擬合，即在不同的壓力段采用不同的系數(shù)和常數(shù)。表3.2所示為不同壓力段對應(yīng)的不同密度計算式。

                   表3.2  不同壓力段的密度計算式

②     用指數(shù)函數(shù)擬合密度曲線。使用較多的是

ρf＝AP                                （3.18）

式（3.18）描述的是一條曲線，用它來擬合飽和蒸汽的ρ＝f（P）曲線能得到更高的度，但是在壓力變化范圍較大的情況下，仍有千分之幾的誤差。

③     狀態(tài)方程法。狀態(tài)方程法用于計算過熱蒸汽密度，其中的有烏卡諾維奇狀態(tài)方程：

                          （3.19）

式中      p――壓力，Pa；

          v――比體積，m3/kg；

          R――氣體常數(shù)，R＝461J/（kg.K）；

          T――溫度，K；

          F1(T)=(b0+b1φ+…+b5φ5)×10-9；

　　　　　F2(T)=(c0+c1φ+…+c8φ8)×10-16；

　　　　　F3(T)=(d0+d1φ+…d8φ8)×10-23；

          b0＝-5.01140          c0=-29.133164              d0=+34.551360

          b1=+19.6657           c1=+129.65709              d1=+230.69622

          b2=-20.9137           c2=-181.85576              d2=-657.21885

          b3=+2.32488           c3=+0.704026               d3=+1036.1870

          b4=+2.67376           c4=+247.96718              d4=-997.45125

          b5=-1.62302           c5=-264.05235              d5=+555.88940

                                  c6=+117.60724               d6=-182.09871

                                  c7=-21.276671               d7=+30.554171

                                  c8=+0.5248023               d8=-1.99178134

                                  φ=103/T

⑵ 計算機(jī)查表法   上面所說的通過數(shù)學(xué)模型求取蒸汽密度的誤差都是同人工查密度表方法相比較而言。現(xiàn)在智能化儀表將蒸汽密度表裝入其內(nèi)存中，在CPU的控制下，模仿人工查表的方法，采用計算機(jī)查表與線性內(nèi)插相結(jié)合的技術(shù)，能得到與人工查表相同的度。

現(xiàn)在上通用的蒸汽密度表是根據(jù)“工業(yè)用1967年IFC計算出來的。1963年于紐約舉行的第八屆水蒸氣性質(zhì)會議上，成立了公式委員會（IFC）。若干年后，該委員會提出了*的“用業(yè)用1967年IFC公式”及“通用和科研用1968年IFC公式”。21年后在1984年于莫斯科舉行的第十屆蒸汽性質(zhì)會議上，又廢除了“通用和科研用1968年IFC公式”。因此，“工業(yè)用1967年IFC公式”仍是當(dāng)前*的描述水蒸氣熱物性參數(shù)的公式。

 由于這個公式十分復(fù)雜，一般使用者很難直接使用它，IFC根據(jù)這個公式編制了蒸汽性質(zhì)表格，供人們查閱。本書的附錄D摘錄了其中部分?jǐn)?shù)據(jù)。

下面以典型智能流量演算器為例說明自動查表的實施方法。

在智能流量演算器的EPROM中寫入3個蒸汽密度表，1號表是過熱蒸汽密度表，另外兩個是飽和蒸汽密度表（見附錄D），采用的都是蒸汽密度表1967IFC公式計算出來的。其中。過熱蒸汽密度表有蒸汽溫度和蒸汽壓力兩個自變量。2號表是蒸汽壓力為自變量。3號表是蒸汽溫度為自變量，這樣，測得蒸汽溫度或測得蒸汽壓力都能通過查表求得蒸汽密度。究竟是選查ρ=f(p)表格還是ρ=f(t)表格。則在填寫組態(tài)菜單時由用戶自己選定。

①              查表的優(yōu)先權(quán)問題。過熱蒸汽的密度表時就存在一個優(yōu)先權(quán)的問題。若先從壓力查起，就稱壓力優(yōu)先；若先從溫度查起，就稱溫度優(yōu)先。

          而對于飽和蒸汽，若選壓力優(yōu)先;若選溫度補償，則為溫度優(yōu)先。

          上述三種情況優(yōu)先關(guān)系，由用戶在填寫菜單時，如表3.3所列。

               表3.3  優(yōu)先權(quán)表

②              蒸汽狀態(tài)判別問題。典型流量演算器具有蒸汽狀態(tài)判別功能。根據(jù)判別結(jié)果，查不同的密度表。以過熱蒸汽為例，在圖3.8所示的查表示意圖中，從壓力測定值ρO出發(fā)去查溫度，如果溫度測定值大于飽和溫度t1，則判別蒸汽為“過熱蒸汽”，查1號密度表，例如，t=t2，則ρ＝ρf2。如果溫度測定值小于t1，則判別蒸汽狀態(tài)為“過飽和蒸汽”，查2號密度表，ρ=ρf1，此時，溫度信號與壓力信號不平衡，所以，儀表自診斷顯示“000800”代碼，表示蒸汽狀態(tài)已進(jìn)入飽和區(qū)。

圖3.8過熱蒸汽密度查表示意    圖3.9壓力優(yōu)先，求取飽和蒸汽密度圖3.10溫度優(yōu)先，求取密度飽和蒸汽密度

③              飽和蒸汽密度求取方法。如果優(yōu)先欄內(nèi)填入2（壓力優(yōu)先），則手動設(shè)定溫度置100℃，從壓力測定值出發(fā)查出飽和溫度。因為此時溫度信號取手動設(shè)定值，所以判別蒸汽狀態(tài)為“過飽和蒸汽”(如圖3.9所示)，查2號表。

如果優(yōu)先欄內(nèi)填入1（溫度優(yōu)先），則手動設(shè)定壓力一般置22Mpa(密度表中壓力上限)，從溫度測定值出發(fā)查飽和壓力。因為此時壓力信號取手動設(shè)定值，所以判別蒸汽狀態(tài)為“過飽和蒸汽“（如圖3.10所示），查3號表。

上面所談的蒸汽密度求取方法，用戶不一定都要搞清楚，其原因在于用戶只須根據(jù)自己所用的流體參數(shù)選擇合適的補償方法，并在菜單中填入有關(guān)數(shù)據(jù)即可。但是對于飽和蒸汽究竟是采用壓力補償還是溫度補償?shù)故呛苤匾摹?/span>

④              直接查表法。有的儀表制造商采用的是直接查表法，即儀表內(nèi)存放的三張蒸汽密度表由編碼開關(guān)其選用：采用壓力補償?shù)娘柡驼羝?jīng)編碼開關(guān)選擇直接查以壓力為自變量的飽和蒸汽密度表；采用溫度補償?shù)娘柡驼羝?jīng)編碼開關(guān)選擇直接查以溫度為自變量的飽和蒸汽密度表；對于過熱蒸汽，經(jīng)編碼開關(guān)選擇直接查以溫度和壓力為自變量的過熱蒸汽密度表。編碼開關(guān)設(shè)置完畢，長期使用。

3.1.5 溫度壓力測口位置的合理選擇

實施流體溫度、壓力補償時，應(yīng)合理選擇溫度、壓力測口的位置，因為蒸汽以一定流速流過流量測量儀表時，測壓口選在不同的位置得到的測量值是不同的。測溫口也有類似的情況。

 從流量計使用現(xiàn)場的實際情況來看，用于溫壓補償?shù)臏y溫口、測壓口位置雖然多種多樣，但大多數(shù)是測壓口在前，測溫口居后。即測壓口開在流量計上游的管道上，測溫口開在流量計下游的管道上。

（1）       孔板流量計的測溫測壓口位置

①標(biāo)準(zhǔn)中的要求。標(biāo)準(zhǔn)GB/T2624－1993提出的質(zhì)量流量與各自變量的關(guān)系，用三個公式表述，其中一個是前面所述的式（3.1），另外兩個如下。

                qm=              (3.20)

                 ε2=                    (3.21)

式中ε2――節(jié)流件負(fù)端取壓口平面上的流體可膨脹性系數(shù)；

ρ2――節(jié)流件負(fù)端取壓口平面上的流體密度，kg/m3；

p2――節(jié)流件負(fù)端取壓口平面上的流體壓力，Pa.

假定流體為可壓縮性流體，而且在  p1、p2差別不大的情況下，流體符合理想氣體定律，這是將式（3.21）代入式（3.20），就可得到（3.1），因此，式（3.20）和式（3.1）是等價的。

關(guān)于流體的密度，GB/T2624－1993在4.4條中規(guī)定，上游或下游取壓口平面處的密度可直接測量，亦可根據(jù)相應(yīng)平面處靜壓、溫度等性的資料計算出來。4.4.1條中進(jìn)一步規(guī)定“流體的靜壓應(yīng)在上游或下游取壓口平面處測得”。

該標(biāo)準(zhǔn)中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)如流出系數(shù)C和可膨脹性系數(shù)ε，都是根據(jù)大量實驗數(shù)據(jù)經(jīng)處理得到的，因此在采用這些實驗結(jié)果進(jìn)行節(jié)流裝置的設(shè)計和有此設(shè)計的節(jié)流裝置測量流量時，實際上是實驗方法的“逆過程”。

至于將取壓口開在節(jié)流裝置前一定距離的管段上測得的壓力比標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法測得的壓力差多少，原則上可以按伯努利方程、連續(xù)性方程和熱力學(xué)過程方程[3]計算出來，但具體計算時還有一些困難，而如果在現(xiàn)場實測，卻是不困難的。

②測溫問題。GB/T2624－1993中規(guī)定“流體溫度在節(jié)流件下游測得”，“如溫度計插孔或套管位于下游，它與節(jié)流件之間的距離應(yīng)等于或大于5D”，“如溫度計插孔或套管位于上游，它與節(jié)流件之間的距離應(yīng)滿足表2（直流段長度）的規(guī)定”，顯然，節(jié)流件上游和下游均允許設(shè)置溫度計插孔，只是不能對流體的流動狀態(tài)帶來較大的干擾。

筆者認(rèn)為,如果流體為處于過熱狀態(tài)的氣體或蒸汽，溫度計插孔選在節(jié)流件下游。而若流體為處于飽和狀態(tài)的蒸汽，而且又是根據(jù)測溫結(jié)果去查密度表р=f(t)，進(jìn)而進(jìn)行密度補償，為了能使查表得到的密度恰巧為ρ1、ρ2，溫度計插孔從原理分析應(yīng)選在正端取壓口平面處[按式（3.1）計算qm]或負(fù)端取壓口平面處[按式（3.20）計算qm]但這又因測溫套管距節(jié)流件太近而對流動狀態(tài)產(chǎn)生太大的干擾而變得不可行，因此，用來測量飽和蒸汽的差壓式流量計，通過測量流體溫度求取ρ1或ρ2，由于實施中的困難，具體執(zhí)行時，與理想情況總是有差距,這必定要帶來一定誤差。

（2）渦街流量計測溫測壓口位置     渦街流量計是利用流體流過旋渦發(fā)生體時產(chǎn)生的穩(wěn)定旋渦，通過測量其旋渦產(chǎn)生頻率，得到體積流量。

實驗指出，流過旋渦發(fā)生體的流體不論是液體、氣體還是蒸汽，只要雷諾數(shù)ReD在2×104～7×106范圍內(nèi)，就能得到穩(wěn)定的流量系數(shù)。

實驗同時指出，渦街產(chǎn)生的頻率，反映了渦街發(fā)生體處的流體平均流速，此流速于流通截面積的乘積即為體積流量。要將蒸汽的這種體積流量換算成質(zhì)量流量，*的是測量出渦街發(fā)生體處的流體靜壓力。此處靜壓力由于流體流速較高，比渦街流量計上游管道內(nèi)的流體壓力低一些。若在此處準(zhǔn)確地測量靜壓力，由于多種原因有一定困難，但在流量計下游一定距離的管道上，測量到能與發(fā)生體后面?zhèn)鞲衅魈幍撵o壓相等或接近的靜壓，則是一個可行的方法。橫河公司要求，這個合適的距離為3.5～7.5陪管道內(nèi)徑。E+H公司要求，這個合適的距離為從流量傳感器下游法蘭算起3.5倍管道內(nèi)徑。

若用上游壓力代替下游壓力會引入誤差，其估算方法如下例所述。

例如有一臺YF108型旋渦流量計，用來測量過熱蒸汽流量，從流量二次表可讀出

上游流體壓力      p1＝0.9Mpa（表面值）

流體溫度      tf＝250℃

 瞬時流量顯示值      qm＝3.0t/h

從溫度、壓力數(shù)據(jù)查表得到流體密度為ρ1＝4.3060kg/m3（當(dāng)?shù)卮髿鈮阂?/span>0.101325Mpa計），進(jìn)一步計算得到此時體積流量為696.7m3/h，從橫河公司說明書中數(shù)據(jù)可計算得到管道中流體流速約位48.8m/s，按說明書中提供儀表的壓力損失公式計算可得

           Δp=1.1ρv2=0.0113Mpa

令流量計上游管道內(nèi)的壓力與儀表下游3.5D～7.5D處的壓力相差即為儀表的壓力損失，則下游壓力為p1-Δp，據(jù)此查得下游流體密度ρ2=4.2554kg/m3，根據(jù)質(zhì)量流量與流體密度的關(guān)系，可計算由于壓力測點位置選擇不當(dāng)引入的誤差為

  δqm=

從上面的分析可清楚地看出，流速越高，由此引入地誤差越大。

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